相變儲能納膠囊（Nanoencapsulated Phase Change Materials Microcapsules，NanoPCMs）作為一種新興的節(jié)能材料，在解決能源供需不匹配問題上具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，傳統(tǒng)熱聚合方法大量制備NanoPCMs是一個耗時耗能的復(fù)雜過程，且得到的膠囊多為微米級。如何快速地大規(guī)模制備NanoPCMs仍是一個挑戰(zhàn)。
為了解決上述問題，郭生偉團隊開發(fā)了一種簡便、高效、超快速的微波輔助聚合方法，分別以交聯(lián)聚(甲基丙烯酸甲酯-co-甲基丙烯酸烯丙酯)（P(MMA-co-AMA)）和相變材料正十八烷（n-oct）為壁材和芯材，并將氯化鈉（NaCl）作為微波敏化劑，添加到聚合體系中，制備NanoPCMs（圖1）。由于NaCl微波敏化劑的引入，反應(yīng)時間從12小時縮短到10分鐘，比傳統(tǒng)的水熱聚合快100倍。此外，在NaCl與乳化劑SMA的協(xié)同乳化作用下，產(chǎn)生最佳的乳化效果，控制了NanoPCMs的粒徑（圖2）。他們通過正交試驗，得出制備NanoPCMs的最佳條件為60 ℃、10 min、600 W（圖3），制備的NanoPCMs具有均勻的、球形的核殼結(jié)構(gòu)，直徑約為95 nm，潛熱存儲能力為114.9 J/g，包覆率為50.8%。經(jīng)與微波不加敏化劑、水熱加敏化劑和水熱不加敏化劑的實驗進行對比，解釋了NaCl存在條件下NanoPCMs微波輔助聚合機理（圖4），證實了該方法制備得到的NanoPCMs具有較高的潛熱儲存能力和顯著的熱穩(wěn)定性和熱可靠性。通過反應(yīng)器的設(shè)計（圖5），一臺小型微波反應(yīng)器（50 cm×42 cm×43 cm）12小時可生產(chǎn)出80 L NanoPCMs，而水熱聚合12小時只能生產(chǎn)0.2 L的MicroPCMs，凸顯了微波輔助超快速連續(xù)制備NanoPCMs方法的優(yōu)勢，為NanoPCMs的商業(yè)化生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。
圖1. 微波輔助超快速合成NanoPCMs的制備示意圖
圖2. (a) 乳化液液滴的POM圖；(b)(c) NanoPCMs的SEM和TEM圖；(d)乳化液和NanoPCMs的DLS圖；(e) n-oct和NanoPCMs的DSC圖；(f) n-oct、P(MMA-co-AMA)和NanoPCMs的FTIR圖
圖3. (a)(b) NanoPCMs的DSC圖；(c)NanoPCMs的TG圖；(d) 正交因素對包覆率的影響
圖4. S10、S12、S13和S14 的SEM圖(a-d)、DLS圖(e-h)和合成機理圖解(i-l)
圖5. 微波輔助和傳統(tǒng)水熱聚合裝置示意圖
該工作以“Ultrafast and continuous synthesis of phase change nanocapsules by salt-accelerated microwave-assisted polymerization”為題發(fā)表在《Green Chemistry》上。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、寧夏自然科學(xué)基金、寧夏重點研發(fā)計劃項目、北方民族大學(xué)研究生創(chuàng)新項目和中央高校基本科研業(yè)務(wù)費的支持。
論文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/gc/d2gc04804c/unauth
